基于ZigBee和Web的機加工車間安全生產監控系統設計

吳德平++王曉東

摘 要：利用物聯網技術加強安全生產監控具有十分重要的意義。在機加工車間利用ZigBee技術，運用基于C/S架構的Web服務器實時監控系統，能有效對安全生產中的人、機、物三要素進行有效監控，及時發現事故隱患，減少安全事故，對安全穩定的生產起著重要作用。

關鍵詞：ZigBee；機加工；安全生產監控；Web服務器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-02

0 引 言

國家安全生產監督管理總局將安全生產領域物聯網技術應用試點工程作為“十二五”重點工程。機加工車間中常見的剪板機、臺鉆、車床等設備安全生產事故時有發生，利用物聯網技術能有效感知人員、設備、設施、環境的安全狀態，實現對生產中安全要素和職業危害因素的實時監控和智能處置，可有效提升企業事故預防預警和應急處置能力。

1 系統功能簡介

根據著名的海因里希事故法則可知，當一個企業有300起隱患或違章，必然要發生29起輕傷或故障，另外還有一起重傷、死亡或重大事故。機加工車間通常設備多，事故隱患也多，因此易發生安全事故，實時監控車間的作業過程對安全生產具有十分重要的意義。

機加工設備眾多，本文僅以事故發生較頻繁的剪板機、臺鉆和砂輪機設備為例說明。機加工車間安全監控包括對人、機、環境的監控。機加工車間安全監控簡圖如圖1所示。作業人員持卡作業，實現人機對應，并通過攝像頭及時了解作業人員的行為。通過溫濕度檢測對作業環境進行監控。剪板機、臺鉆和砂輪機主要根據事故隱患和事故特點對其進行監控，而遠程監控通過計算機實現。

2 系統通信設計

機加工車間的網絡通信設計主要考慮監控的可靠性、實時性、便捷性等。ZigBee網絡具有低功耗、高安全、動態路由、傳輸范圍（相鄰節點之間）一般介于10～100 m之間等特點。而機加工車間的特點是空間有限，設備之間的距離都在100 m范圍內，且設備經常會更換、升級，發生位置變動等，結合ZigBee的特點可知，ZigBee網絡非常適合機加工的作業環境。本系統采用網型網絡結構，實現所有具有路由功能的節點的信息互通，不再受協調器和路由節點的限制。在某節點出現故障時，數據可通過其它路徑繼續通信，從整體上提高網絡的可靠性。

機加工車間通信系統設計如圖2所示。ZigBee組網后，通過TCP/IP與串口轉換模塊實行Web服務器與ZigBee網絡的通信。PC機則通過Web服務器實現通信。終端機加工設備節點和路由器節點均需由CC2530芯片結合少量外圍器件完成。

3 機加工系統主要硬件及相應軟件設計

機加工系統監控要實現加工中各項數據的采集、通信和相關控制功能。本系統選用CC2530F128芯片。該芯片適應2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。只需極少的外接元件就能構建簡單的應用系統，一個晶振即可滿足網狀網絡系統的需要。

3.1 ZigBee路由器節點設計

路由器在網絡中可以有很多個，主要完成數據的接收、中轉與網絡維護等功能。路由器也包括協調器，雖然路由器沒有建立網絡的功能，但可以給終端設備分配網絡地址，承擔維護網絡的責任。以剪板機功能模塊為例說明節點路由器的設計。

路由器節點與剪板機終端電路設計如圖3所示。節點組網和剪板機終端電路的功能主要由CC2530實現。CC2591是TI公司推出的工作在2.4 GHz，面向低功耗與低電壓無線應用，且集成度很高的射頻前端芯片，能很好地提高接收靈敏度和接收距離。該芯片與CC2530的RF_N、RF_P接口連接，配置合適的天線接入ZigBee網絡。為提高抗干擾和匹配電路的需要，設備運轉參數經傳感器信號調理電路由CC2530采樣。為提高實時性，設備控制量由中斷口完成。操作人員的IC卡考勤用MF RC531實現讀寫功能，該芯片工作于13.56 MHz，集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議，支持ISO/IECl4443的所有層和協議內部的發送器可以直接驅動距離小于10 cm的天線，接收器包括解調和解碼電路。

路由器節點軟件設計如圖4所示。本系統網絡協調器在成功組建網絡后，進入睡眠狀態并等待外部喚醒，當收到喚醒信號后，開始喚醒網絡中各監控節點采集數據并把接收到的數據或消息發送到遠程終端。

3.2 ZigBee協調器節點設計

協調器是特殊的路由器。協調器在整個ZigBee網絡當中是唯一的，是建立網絡的設備。協調器節點起到與外部系統接口或協調與其他網絡路由的作用，主要完成網絡管理、網絡數據整理、無線遠程通信等功能。在硬件電路設計上，可參照路由器節點電路裁剪，為實現與Web的通信，增加串口與TCP/IP轉換電路，也可根據市場購買的TCP/IP轉串口轉換器確定。ZigBee協調器通信軟件在設計過程中可參照路由器節點的設計，同時還要為加入的節點分配網絡地址。

4 系統監控軟件設計

考慮到軟件的應用人員、安全性等因素，Web服務模塊采用C/S架構，實現對機加工車間所采集數據的存儲和對生產現場的控制。Web服務器要記錄機加工車間每臺設備的信息，如管理人員、作業人員信息、設備的實時運行狀況、相關控制等大量信息，采用JSP+Servlet+JavaBean+MySQL框架實現相關功能。

4.1 系統監控軟件功能模塊

系統監控軟件包括用戶登錄模塊、人員管理模塊、數據庫管理模塊、數據庫查詢模塊、數據實時監測模塊、遠程視頻檢測模塊、數據實時報警模塊、數據控制模塊、日志記錄模塊、系統設置模塊和系統控制模塊。對現場的視頻監控采用專用接口，在界面開發時只需接入即可。

4.2 Web客戶端/服務器軟件設計

Web客戶端主要利用表單實現多種交互式操作。可以使用強大而靈活的客戶端表單驗證框架（JSValidation）技術，利用XML與JavaScript相結合的方式實現用戶登錄等功能。

Web服務器軟件要結合實時數據傳輸和遠程控制的要求加以設計。基于Web機加工數據監控原理圖如圖5所示。

圖5 基于Web機加工數據監控原理圖

Web數據傳輸采用InputStream和OutputStream流式通信方式，在客戶端和服務器端分別建立輸入輸出流以進行數據發送和接收。數據采集程序直接與服務器端通信，客戶端利用Applet的實時交互功能與服務器端的Servlet程序通信，實時傳輸數據到Web服務器端。在Web服務器端，利用Servlet程序實現數據的實時處理和實時交互。

監控的實時性通過線程來實現，加工現場實時數據的傳輸和發送各屬一個線程。線程可以用Thread類實現，也可以通過Runnable接口實現。數據傳輸程序采用模塊化結構，用JavaBean實現。一個JavaBean負責數據傳輸方式的選擇，確定數據的存放；另一個JavaBean負責數據的實時傳輸。使用這種技術，數據傳輸速度快，效率高，能實現數據的實時傳輸和遠端監控。

5 結 語

利用物聯網技術實現安全生產的監控是發展的趨勢。實踐證明，在安全生產中，利用ZigBee技術對機加工車間進行安全生產監控，可及時發現事故隱患，減少安全事故，對提高安全管理效率發揮了重要作用。

參考文獻

[1]武永勝，王偉，沈昱明.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡組網設計[J].電子測量技術，2009，32（11）：121-124.

[2]青島東合信息技術有限公司.ZigBee開發技術及實踐[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.

[3]劉一婷，楊恒，張正炳.基于ZigBee的倉庫監控系統設計[J].物聯網技術，2013，3（4）：33-35.

[4]徐淑萍，李軍，張軍，等.嵌入式Web服務器軟件的設計與實現[J].西安工業大學學報，2014（3）：193-198.

[5]王萍利.基于Web的煤炭企業監控系統的設計與實現[J].電子設計工程，2013，21（11）：19-20.